氩氧脱碳（AOD）工艺：高端不锈钢与高品级合金生产的核心技术

氩氧脱碳工艺概述

氩氧脱碳（AOD）工艺主要用于不锈钢及其他高品级合金（如硅钢、工具钢、镍基合金、钴基合金）的生产，这些合金含有易氧化元素（铬、铝等）。AOD工艺由联合碳化物公司林德事业部于1954年发明，该公司于1992年更名为普莱克斯。图1展示了AOD转炉结构。

图1 AOD转炉

目前，全球超过75%的不锈钢采用AOD工艺生产。该工艺广受欢迎，因其兼具金属收得率高、原料成本低的优势，能以最小化贵金属损耗的方式经济生产不锈钢。AOD属于双联工艺一环：废钢或原生原料先在电弧炉（EAF）或感应炉（IF）熔化，熔融金属随后在AOD转炉中脱碳精炼至碳含量低于0.05%。AOD转炉的关键特征是将脱碳用氧气与惰性气体（氩气或氮气）混合，通过浸没式侧吹鼓风嘴喷入。氩气稀释氧气可最大限度减少特种钢中珍贵元素（如铬）的非预期氧化。其他优势包括：化学成分控制精度可达0.01%碳甚至更低、快速脱硫至0.001%以下、脱铅至0.001%以下，最终获得洁净钢液并提高生产率。

工艺原理：稀释脱碳技术

AOD工艺采用稀释技术对钢液脱碳。喷入惰性气体（氩气或氮气）降低浴内CO分压，使较高铬含量能与较低碳含量达到平衡。通过浸没鼓风嘴吹入气体产生的搅拌能量，以及深处金属浴中一氧化碳的生成，使转炉过程成为冶金反应器中搅拌最强烈的类型之一。气-金属的充分接触和渣-金属的优异混合促进了精炼反应。

AOD精炼三大步骤

1. 脱碳
2. 还原
3. 终点成分与温度微调

脱碳阶段

AOD工艺的输入为EAF或IF的出铁液。含有满足终点成分铬、镍大部分需求的液态钢，以1500-1600℃从EAF或IF出炉倒入中间包，再转入AOD转炉。转炉可倾斜使侧吹鼓风嘴高于液面以便装料。

装入含铁、铬、碳、镍的液态钢后，加入高碳铬铁并开始吹炼，吹入惰性气体（氩气、氮气）与氧气混合物。初期氧氩比为5:1至3:1，随脱碳进行逐渐降低。因有氩气稀释，可在较低温度下脱碳。当碳降至原值30%时，氧氩比调至2:1。当比例达1:1时，稀释工艺优势显现：碳继续氧化，但铬氧化受限，因气体混合物氧势极低。吹炼持续至碳含量0.09%-0.012%。

工艺气体通过安装在转炉侧壁或底部的浸没鼓风嘴喷入。侧壁喷吹通常赋予浴最大搅拌能量，混合效率最高；底吹则改善筒身耐磨性。鼓风嘴数量及布局取决于转炉规格、冶炼量范围、工艺气体流量及合金类型。

气体控制系统按1.0-3.0 Nm³/min·t标准供气，精确控制流量并监测喷入总量，便于操作员控制工艺及测算总氧量。

脱碳反应机理

溶解碳还原生成的铬、铁氧化物，发生脱碳反应：

3O₂(g) + 4Cr = 2Cr₂O₃

Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO(g)

脱碳发生在上升气泡表面（惰性气体注入形成）或被还原生成CO的铬氧化物颗粒表面。

脱碳期间为达终点成分需加入合金：高碳铬铁、不锈钢废钢、碳钢废钢、镍、铁、高碳锰铁、钼氧化物等。这些加料也利用碳、铬氧化放热降温。浴温一般控制在1720℃以下。合金加料总量为出钢重5%-30%。末期吹炼氧氩比调为1:3至1:2，将碳降至目标值（可<0.03%）。

还原阶段

加入还原剂并用惰性气体搅拌数分钟。还原剂含硅系合金（硅铁、铬硅）和/或铝，用于还原渣中金属氧化物；还加入石灰、白云石石灰、萤石等熔剂。惰性气体搅拌通常5-8分钟。

Cr₂O₃ + 2Si = 3Cr + 2SiO₂

若钢种要求含硅，需额外加硅。渣的精心操作至关重要：未被碳还原的铬氧化物进入渣形成复合尖晶石。还原效果取决于渣碱度成分、温度、混合条件、固体加料溶解动力学等因素。

石灰/白云石石灰通常在吹氧前加入以熔融转炉渣和金属中硅。吹氧期硅先于碳氧化。有时吹氧末期加石灰/白云石石灰降温并减少还原加料量。渣熔剂（石灰、白云石石灰、萤石）典型加入量为总浴重3%-7%。

高碱度渣形成和金属浴氧势降低有利于脱硫。例：初始硫0.03%，还原处理加2-3 kg Al/t、2-3 kg萤石/t，终渣碱度~1.7，温度1700℃，终硫可达0.003-0.005%。

吹炼时长取决于热金属初始碳、硅水平。现代转炉脱碳时间20-35分钟（初始碳1.5%-2.5%，目标碳0.04%）。通常碳达0.1%左右时转炉水平取样分析。

脱硫为渣-金属反应，发生于还原期。磷需氧化条件去除，转炉工艺无法脱磷。

氮控制与挥发性元素去除

氮控制属气-金属反应。视钢种氮规格，脱碳初期可用氮气作惰性气体，达一定碳水平后改用氩气。此法可降低氩气用量成本并达氮规格。改氩后，氮随析出CO和氩气从浴中去除。高蒸气压挥发性元素（铅、锌、铋）在脱碳期去除。

深度脱硫与双渣工艺

高碱度渣和低氧势利于脱硫，靠高石灰浓度和低金属氧活度实现。硫转移反应：

S(浴) + CaO(渣) = CaS(渣) + O(浴)

加石灰稀释浴中硫，加铝或硅脱氧。如前例条件可达终硫0.003-0.005%。若需超低硫，还原后脱渣再加碱性渣，混合完成脱硫反应。现代双渣工艺易达0.001%以下硫。达标后可加微调合金，除渣后出钢。

终点微调与出钢

理想状态下此时成分已达规格可出钢。必要时加少量原料微调。出钢后钢包常搅拌均匀成分温度并浮升夹杂，在配搅拌设施的钢包中进行，可配合钢包精炼炉。钢包处理后可浇铸。早期AOD转炉倾斜加料、取样、测温。为提高生产率，现代工艺采用吹炼期及还原期连续加料。现代仪器可在转炉直立位用专用探枪取样测温。

AOD转炉结构特点

AOD转炉为梨形容器，通常砌筑碱性耐火衬里，配可拆卸锥形盖。关键特征为侧吹。可容氮钢种可吹氧氮混合气。因不锈钢不发泡且多为侧吹/底吹，其尺寸小于同产能碱性氧气转炉（BOF）。典型AOD转炉内部容积为0.4-0.8 m³/t浴重。

吊车持包出钢的转炉常用切片锥形顶段，便于吊车靠近炉口；包车出钢则用BOF式同心锥顶段。

高产车间通常配三台可互换转炉保证100%可用性：一台在倾斜托圈冶炼，一台新衬里预热站待命，一台在大修站。托圈转炉可在1小时内更换为预热转炉。

鼓风嘴系统

鼓风嘴安装在侧壁或底部，典型结构为铜管芯外套不锈钢管，环隙吹冷却气体在嘴尖形成金属/氧化物挂渣（称“蘑菇头”）保护鼓风嘴和耐火材料。工艺气体（氧/惰性气混合）经内环隙喷入。环隙流场均化有特殊设计。鼓风嘴尺寸数量依工艺参数而定，通常2-9个。

侧壁鼓风嘴冶炼时浸没，转炉旋转时露出液面，此时可关工艺气体，用少量冷却流保护。底吹转炉按流量需求有多种鼓风嘴配置，通常2-4个底部鼓风嘴。

工艺改进技术

顶吹枪复合吹炼：在侧吹基础上增设顶吹枪，可按需喷氧提高脱碳速率和/或后燃烧，亦可吹惰性气-氧混合气。早期引入顶吹氧可缩短冶炼时间，提高熔炼车间产量（t/h）。近年新建转炉多配顶吹枪。

AOD-VCR真空工艺：对转炉抽真空，降低氩气和硅消耗及低碳钢种冶炼时间。

AOD转炉耐火材料

鼓风嘴尖高温和剧烈浴搅拌对耐火材料要求极高。典型BOF耐火寿命以月/年计，不锈钢转炉仅数天/周。耐火材料成本占运行成本显著比例。

两大基本选择：镁铬质和白云石质。选择取决于转炉操作模式、产品规格、经济性。

• 镁铬质耐火材料：耐磨性高但单位成本高于白云石质。砖中铬可能被钢液吸收。镁铬砖兼具酸碱性，必须严格控制渣成分防止快速损耗。
• 白云石质耐火材料：成本通常较低，无铬吸收问题。因可使用高碱度渣而不损砖，极易实现深度脱硫。

转炉通常按厚度和砖质分区以最大化衬里寿命、最小化成本。高损耗区（鼓风嘴墙、渣线、装料垫）加厚并用高档耐火材料。